（安全技术及工程专业论文）特殊受限空间火灾早期探测及高压细水雾灭火有效性模拟实验研究.pdf

特殊受限空f i l 火灾早期探刹夏高压细水雾灭火有效- 睦模拟实验研究中因科学技术欠学博士擘住论文 灾探测提供了有效的技术措施。 作为细水雾灭火性能研究的基础，本文结合三维l d v a p v 系统对高压细水雾 雾场特性进行了测量，得出了雾粒径、雾速度、雾通量的变化规律，为高压细水 雾抑制扑灭电子设备控制柜这一特殊受限空间的火灾奠定了基础。 在分别研究了电子设备控制柜火灾特征及高压细水雾雾场特性的基础上，开 展了高压细水雾抑制扑灭电子设备控制柜火灾有效性的全尺度模拟研究，得出了 高压细水雾扑灭电子设备控制柜火灾机理主要为燃料表面冷却、总耗水量一定的 条件下，大流量系统比小流量系统更快抑制火灾的结论。同时实验也表明，高压 细水雾抑制扑灭电子设备控制柜火灾时，雾粒径、通量、动量固然重要，喷嘴的 布置方式也是能否有效抑制火灾的关键因素。采用高压细水雾扑灭电子设备类火 灾，对火灾产生的有毒有害气体有明显的抑制作用，初步实验也证实在有效扑灭 火灾的前提下，水渍损失可以忽略。 综上所述，上述研究能够为单个电子设备控制柜这一类型的特殊受限空间提 供早期火灾探测及高压细水雾灭火集成技术，从而更为有效地保证了该类场所 的防火安全。 关键词：特殊受限空问，电子设备控制柜火灾，分布式光纤感温火灾探测，高压 细水雾，火灾抑制 i i 特殊蹙限空问火突早期擐测及高压细水雾灭戈有效性模拟实验研究中田科学技术太学博士学往论文 a b s t r a c t t h ec o n v e n t i o n a lf i r es u p p r e s s i o na g e n t su s e di ne l e c t r o n i ce q u i p m e n ta r e a ss u c h a sc e n t e rc o n t r o lr o o mi ni n d u s t r i e s ，t e l e c o m m u n i c a t i o n sa n d 证l i t i e si n d u s t r i e s ，e ta 1 w e r eh a l o n1 2 11a n d1 3 0 1a c t e da st o t a lg a s f l o o d i n gs y s t e mv i aaf i x e dp i p es y s t e m 6 r o mp r e s s u r i z e ds t o r a g eb o t t l e s t h ea d v a n t a g eo ft h e s ea g e n t sw h e nu s e d 嬲m e a n s o ff i r ep r o t e c t i o nm e t h o di ns e n s i t i v ee l e c t r o n i c e q u i p m e n ti s t h a t t h e y a r e n o n - c o n d u c t i v ea n da b l et op e r m e a t ei n t oo b s c u r e df i r e s h o w e v e r , h a l o na g e n t sh a v e b e e ni d e n t i f i e da sam a j o ro z o n e d e p l e t i n gs u b s t a n c e s t h i sk i n do fa g e n th a v eb e e n p h a s e d o u t i nd e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dw i l lb ep h a s e d - o u t r a p i d l yi nd e v e l o p i n g c o u n t r i e sa c c o r d i n gs e v e r a lr e l a t i v ei n t e r n a t i o n a lp r o t o c o l s ，s ot h e r ei sa nu r g e n tn e e d t of i n ds u i t a b l er e p l a c e m e n tf i r es u p p r e s s i o ns y s t e m w a t e rm i s tp r o d u c e db yh i g l l p r e s s u r en o z z l ei so n eo ft h em a j o rp o s s i b l ec a n d i d a t eh a l o na l t e r n a t i v e sf o rt h ef i r e p r o t e c t i o ni ns e n s i t i v ee l e c t r o n i ce q u i p m e n ta r e a ss i n c ei t sa d v a n t a g e so fn o n - t o x i c ， l l i 曲e f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dl i t t l ed a m a g et ot h ep r o t e c t e do b j e c t s b u ti tw a sf o u n d v e r yq u i c k l yt h a ti tw a si m p o s s i b l et oe x t i n g u i s haf i r ei n s i d ea ne l e c t r o n i cc a b i n e tb y a p p l i c a t i o no fw a t e rm i s tt ot h ee x t e r i o ro ft h ec a b i n e ta n dt h ei n - c a b i n e tw a t e rm i s t f i r es u p p r e s s i o ni sn e c e s s a r y , a n dt h i sb r i n g sac h a l l e n g et of i r ed e t e c t i o ns y s t e ma l s o t op i np o i n tt h el o c a t i o no ft h ef i r ec a b i n e ti nt h er o o m s ot h ec o m b i n e di n c a b i n e t e a r l yf i r ed e t e c t i o na n df i r es u p p r e s s i o nb yh i g hp r e s s u r e w a t e rm i s ts y s t e mw a s s t u d i e di nm o r ed e t a i l sw i t he x p e r i m e n t a lm e t h o di nt h i st h e s i s o nt h eb a s eo fs t a t i s t i c sa n dh a z a r da s s e s s m e n to ff i r ei ne l e c t r o n i cc a b i n e t s ， t h ep r i n t e dc k c n i tb o a r d ( p c b ) i sn o tt h em a j o rf i r es o u r c e ，b u tt h e r ea r eo f t e nl a r g e m a s s e so fc a b l e sl e a d i n gi n t oa n do u to ft h ee l e c t r o n i cc a b i n e t s ，a n di ft h ef i r es p r e a d i n t ot h e s ev e r t i c a l l yc a b l e sa r r a y si nc a b i n e t s ，p a r t i c u l a r l yi fo l d e r - g e n e r a t i o nn o n - f i r e r e t a r d a n tc a b l e sa r eu s e d ，t h ef i r ew i l ls p r e a di nt h ec a b i n e t sa n dn o ts e l f - t e r m i n a t e ， a n dp y r o l y s i sr e a c t i o nw i l lb eo c c u r r e di nt h ep c b su n d e rt h i sc o n d i t i o n s os e v e nf u l l s c a l ef i r ee x p e r i m e n t so fe l e c t r o n i cc a b i n e t sw e r ec a r r i e do u ti nw h i c ht h ec a b l e sw e r e m o u n t e dv e r t i c a l l yi nt h eb a c ko ft h ec a b i n e t , t h ef i r es p r e a dr a t e ，t e m p e r a t u r er i s e ， o x y g e n ，c oa n dc 0 2c o n c e n t r a t i o nw e r em e a s u r e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ，a n dt h e c r i t i c a lc o n d i t i o nf o rp y r o l y s i so fp c bw a sf o u n d t h er e s u l t ss h o wt h a ta tt h ec r i t i c a l i 特殊量限空间火灾早期探洲厦高压细水雾灭火有效性模拟实验研究中国科学技术大擘诲士学位论文 c o n d i t i o n , t h et y p i c a lv e n t i l a t i o nr a t eh a dl o wi n f l u e n c eo nt h ef i r es p r e a dr a t eo ft h e c a b l e s ，b u tt h et e m p e r a t u r ei nt h ec e n t e ro ft h ec a b i n e ta n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft o x i c g a se m i s s i o nr a i s e dr a p i d l yw h e nt h ev e n t i l a t i o nr a t ew e 心i n c r e a s e d t h ed i s t r i b u t e df i b e ro p t i c a lt e m p e r a t ef i r ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo fs p o n t a n e o u sr a m a nb a c k s c a t t e r i n gw a ss e l e c t e da sf i r e d e t e c t i o nm e t h o dc o m p a r e dw i t ho t h e ri n t e l l i g e n tf i r ed e t e c t i o ns y s t e m o nt h eb a s e o ft h e a n a l y z e o fo p t i c a lt i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t r y ( o t d r ) a n d t h e t e m p e r a t u r e - r e s p o n s ep e r f o r m a n c eo fr a m a ns c a t t e r i n gi nd a t af i b e rt h e o r e t i c a l l y , t h em e a s u r e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dd i s t a n c e , t e m p e r a t u r ea n dt i m er e s o l u t i o n o ft h es y s t e mw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y q u a n t u mw e l ld i o d el a s e rw a su s e da s p u l s ep u m ps o u r c e as p e c i a l l yd e s i g n e dw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e r ( w d m ) w i t hm u c hl o wi n s e r t i o nl o s sa n dh i g hi n s u l a t i o nw a su s e dt oe x t r a c tt h es t o k e sa n d a n t i - s t o k e sl i g h tf r o mr a y l i e g hl i g h tw h i c hw a sh e l p f u lt oi n c r e a s et h es i g n a lt o n o i s er a t i oo f t h es y s t e m m e a s u r et ok e e pt h ea p dw o r k sa tc o n s t a n tt e m p e r a t u r eb y t h e r m o e l e c t r i cm o d u l ew a sa p p l i e dt oo b t a i nac o n s t a n tg a i ns i n c et h ea p dh a s t e m p e r a t u r e d e p e n d e n tc h a r a c t e r i s t i c s ah i g hs p i c c dd a t aa c q u i s i t i o nc a r df o rw e a k s i g n a lw a su s e dt oi n c r e a s et h es n r t h er e l i a b i l i t ya n dr e s o l u t i o no ft h ef i r e d e t e c t i o ns y s t e mw a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb yt h ea p p l i c a t i o no ft h o s em e a s u r e s a n dc a nb eu s e dt ol o c a t et h ef i r ec a b i n e tt od i s c h a r g ew a t e rm i s to n l yw h e r ei ti s n e e d e d t h el d v a p vs y s t e mw a sa p p l i e dt om e a s u r et h ed i s t r i b u t i o no fd r o pv e l o c i t y a n dd i a m e t e rf o rf o u rk i n d so f f l o wr a t eh i g l lp r e s s u r ew a t e rm i s tn o z z l e si nd i f f e r e n t d i s t a n c ef r o mt h eo u t l e to f t h en o z z l e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g hp r e s s u r en o z z l e s c a l lp r o d u c ef i n ed r o ps i z ea n dh i 曲m o m e n t u ma ts p e c i f i e dw o r k i n gp r e s s u r e ，a n di t i ss u i t a b l ef o rs u p p r e s s i o no f t h ef i r ei ne l e c t r o n i ce q u i p m e n t f i n a l l y , s e v e nf i r es u p p r e s s i o nt e s t si ne l e c t r o n i cc a b i n e tw e r ec a r r i e do u t t h e r e s u l t ss h o wt h a tc h a n g i n gw a t e rm i s tn o z z l ef r o mc o n i c a lc o n e st ol i n e a rs p r a y d i s t r i b u t i o nc a ne n h a n c et h ee x t i n g u i s h i n gc a p a b i l i t yo v e rt h ef u l lw i d t ha n dh e i g h to f t h ec i r c u i tb o a r d ，c o n t r o lo v e rt h ed i r e e t i o no fw a t e rm i s tt oa l l o wi tt op e n e t m t et h e n a r r o wi n t e r - b o a r ds p a c eh a sag r e a t e rp e r f o r m a n c eo nt h ee f f i c i e n c yo ff i r e s u p p r e s s i o n , a n dt h ef i r ew a ss u p p r e s s e dm o r eq u i c k l yb yh i g h e rf l u xd e n s i t yw a t e r i v 特殊受限空间火灾早期探洲及高压细水雾灭火有效挂模拟实验研宛中田科擘技术大学博士学位论文 m i s ts y s t e mt h a nl o w e ro n ee v e nt h et o t a lw a t e rc o n s u n l p t i o nw a sa l m o s tt h es m r n e ， a n dt h ew a t e rd a m a g ep o t e n t i a lt oe l e c t r o n i cp a r t sw a sn e g l e c t f u l l yi nt h et e s t c o n d i t i o n s 。 i ns u m m a r y , s t u d i e si nt h i st h e s i ss h o wt h a tt h ec o m b i n e di n - c a b i n e te a r l yf i r e d e t e c t i o na n df i r es u p p r e s s i o nb yh i g hp r e s s u r ew a t e rm i s ts y s t e mi so n eo ft h e h a l o na l t e r n a t i v e sf o rt h ef i r ep r o t e c t i o ni ns e n s i t i v ee l e c t r o n i ce q u i p m e n ta r e a s 1 1 l e s t u d yi nt h i st h e s i sw a sc o n f i n e dt oo n et y p eo fe l e c t r o n i cc a b i n e t sa n dm o r ew o r k si s r e q u i r e do i ld i f f e r e n tt y p e so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n tb e f o r eau n i v e r s a lp r o t e c t i o n s y s t e mi sa v a i l a b l e k e y w o r d s ：s p e c i a lc o n f i n e ds p a c e ，f i r ei ne l e c t r o n i cc a b i n e t , d i s t r i b u t e df i b e ro p t i c a l t e m p e r a t u r ef i r ed e t e c t i o ns y s t e m , h i g hp r e s s u r ew a t 盯m i s t , f i r es u p p r e s s i o n v 特殊爱限空间火灾早期撂测度高压钿水雾灭火有效性模拟实验研究中周科学技术大学博士学位论文 盯 p s b 厶 乞 五 u i s i 勰 h k c t r ( t ) 艿 5 t 6 t f m f m f s n r b v b 主要符号表 光在光纤中的衰减系数( d b k m ) 光功率( m w ) 后向散射因子 激发光中心波长( r i m ) 反斯托克斯光中心波长( f m ) 斯托克斯光中心波长( r i m ) 喇曼频移波数( c m l ) 斯托克斯光电流 反斯托克斯光电流 普朗克常数 波尔兹曼常数 真空中光速( 3 x 1 0 s 耐s ) 绝对温度( k ) 反斯托克斯与斯托克斯光强比 距离分辨率( m ) 时间分辨率( s ) 温度分辨率( o c ) 激光脉冲脉宽( i l s ) 累加次数 激光脉冲重复频率( k h z ) a p d 倍增因子 过剩噪声系数 信噪比 放大电路带宽( m h z ) a p d 击穿电压( v ) v i 特殊受限空问火灾早期探测度高压细水雾灭火有效性模拟实验研究中固科学技术大学博士学位论文 热释放速率 质量损失率 热解区长度 火焰平均高度 雾滴粒径( 岬) 水的密度 雾滴运动速度 单个雾滴受到的总力 与雷诺数r e 相关的拖拽系数 水的蒸发潜热 努塞尔数 多普勒频率 频移 光学条纹间距 水的摩尔含量 燃料摩尔含量 燃烧产物摩尔含量 氮气摩尔含量 热解分子摩尔含量 液态水摩尔热容 水蒸汽摩尔热容 燃烧产物摩尔热容 氮气摩尔热容 火灾燃烧放热量 热解放热量 吸收系数 散射系数 细水雾液滴散射面积 v i i q廊砩d 办 v 乒 吼h聃珞砩啦砒：璺=：2蕊 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文。是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 嚣军鞘 灿平h7 日 第一幸靖论 中国科学技术太学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 采用细水雾保护特殊受限空间一电子设备控制柜的紧迫性 随着工业生产自动化水平及社会公共业信息化进程的不断加快，各类电子设 备控制室、大型电子计算机房、程控通讯交换机房、高低压配电房的使用量与日 剧增，这些场所一旦发生火灾，火灾只会对起火地点的设备造成局部破坏，但火 灾产生的大量有毒及腐蚀性烟气的扩散会对整个房间内其他未发生火灾的仪器、 设备造成次生灾害，导致工业生产及服务业运行的中断，直接和间接经济损失均 十分惨重。传统意义上，上述场所一般采用卤代烷( 哈龙1 3 0 1 、1 2 1 1 ) 进行全 淹没灭火保护【卜4 l ，然而该类灭火剂是严重破坏大气臭氧层物质，为了保护人类 生存环境，避免进一步破坏臭氧层，1 9 8 5 年联合国环境规划署在维也纳召开了 “保护臭氧层外交大会”，并签署了保护臭氧层维也纳公约，该公约促使 和鼓励世界各国就保护臭氧层这一问题进行国际间合作和交流，采取适当的方法 和行政措施，控制或禁止一切破坏大气臭氧层的活动。为使公约进一步落实， 1 9 8 7 年联合国又在加拿大蒙特利尔市签署了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔 议定书，提出了削减哈龙使用的时间表，要求发达国家必须在1 9 9 4 年1 月1 日 起停止生产和使用哈龙灭火剂。中国政府于1 9 8 9 年加入关于保护臭氧层的维 也纳公约，1 9 9 1 年6 月正式加入关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书修 正案。根据议定书修正案的规定，我国于1 9 9 2 年制定了关于保护臭氧层 物质逐步淘汰哈龙国家方案，并于1 9 9 6 年由国家环保局和公安部联合制定了 中国消防行业哈龙整体淘汰计划。规定从1 9 9 7 年起哈龙1 2 1 1 灭火剂生产开 始逐年削减，1 9 9 9 年前削减6 0 ，截至2 0 0 5 年国内哈龙1 2 1 1 将全部淘汰；哈 龙1 3 0 1 灭火剂从2 0 0 0 年开始削减，2 0 1 0 年完全淘汰1 5 1 ，因而我国哈龙灭火剂及 灭火系统的替代工作十分艰巨。目前国内用于电子设备类场所的哈龙替代灭火技 术主要如下； 第一幸廿论 中固科学技术大擘博士学位论文 ( 1 ) 卤代烃类哈龙替代灭火技术 我国目前使用较多的主要是七氟丙烷( f m 2 0 0 ) ，该灭火剂为气体灭火剂， 不导电，在常温下可加压液化，常压条件下能全部挥发，灭火后无残留物，属于 全淹没系统，其灭火原理为物理和化学双重作用，在火灾类型、规模及喷放时间 相同的条件下，最小设计浓度高于哈龙1 3 0 1 ，灭火时灭火剂本身的分解产物氢 氟酸( h f ) 的浓度也高于哈龙1 3 0 1 。虽然f m 2 0 0 的o d p = 0 ( o d p 是指消耗臭 氧潜能值) ，但g w p = 3 8 0 0 ( g w p 是指温室效应潜能值) ，大气存留时间为3 6 5 年，在联合国气候变迁框架下的京都议定书中，f m - - 2 0 0 被列为受限物质 之列“1 。 ( 2 ) 新型惰性气体灭火系统 在我国使用的主要是i g 5 4 1 ，是由氮气( n 2 ，5 2 ) 、氩气( a r ，4 0 0 ) 和 二氧化碳( c 0 2 ，8 ) 三种无色、无味的混合气体，是一种有益于环境保护的 洁净灭火技术。此外，由于它们具有良好的绝缘性能，灭火后不留残渣，不会造 成二次污染，对保护场所和保护对象也没有腐蚀性，属于全淹没保护方式，其灭 火机理主要为物理作用，最小设计灭火浓度为3 6 5 ，储存压力为1 5 - - 2 0 m p a ， 属于高压系统，以致系统相对庞大“”。 ( 3 ) 低压二氧化碳灭火系统 对于大型保护场所，低压二氧化碳系统较传统的高压二氧化碳系统相比，具 有占地面积小的特点，但低压二氧化碳系统的制冷系统是十分关键的部件，必须 具有非常高的可靠性，此外二氧化碳灭火系统灭火剂( 无论高压、低压) 在释放 过程中，由于有干冰的存在，会使防护区温度急剧下降，对精密仪器、设备有一 定影响。 ( 4 ) 细水雾灭火系统 细水雾灭火技术是利用水雾喷头以不同的方式将水射流分解为细小雾滴从 而达到控制、抑制和熄灭火焰的目的。所谓细水雾是指在最小设计工作压力下， 距喷头l m 处的平面上，所测得的水雾最粗部分颗粒直径d v o9 9 不大于1 0 0 0 x m “”。 细水雾灭火系统因其无环境污染( 不会消耗臭氧层或产生温室效应) 、灭火 迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小的特点，在水灭火系统中占有重要地位， 2 第一幸蜡论 中固科擘技术天学博士学位论文 对于防治高新技术领域的诸如控制设备、大型电子计算机房、程控通讯交换机房、 高低压配电房等特殊空间火灾具有一定的应用前景，其经济效益和社会效益较 大，目前依然是国际火灾科学研究的热点和难点之一“3 。嘲，由于细水雾具有突出 的优点，在研究开展的同时在就不断得到应用“删，而在实际工程应用中针对如 何保证灭火有效性也开展了细致的研究和探寻，以寻求提高灭火有效性的途径。 细水雾灭火技术的研究与实际工程的应用两者相辅相成，互相促进“”。 在气体灭火系统的发展受到诸多因素的制约下，充分挖掘细水雾灭火技术的 潜在能力，同时结合电子设备控制柜这一特殊受限空间的火灾特点，就该类空间 进行智能化早期火灾探测及细水雾灭火有效性研究，实现控制室内单个控制柜早 期火灾探测、快速有效洁净的细水雾灭火技术，进一步降低火灾直接损失，同时 更大程度上减少灭火水渍损失具有十分重要的意义。 1 1 2 特殊受限空间一电子设备控制柜对火灾探测提出的新要求 当电子设备控制室采用气体灭火系统时，一般是以整个房间为防护对象，在 房间吊顶设置火灾探测器，只要有一个控制柜发生火灾，火灾烟气迅速蔓延，在 火羽流和顶棚射流的作用下，火灾探测器报警并实施消防联动，切断通风空调及 驱动灭火系统，实施全淹没灭火。就控制室常用的火灾探测器而言，可分为以下 几类【弘2 5 1 ： ( 1 ) 感烟探测技术 感烟探测主要是用来响应物质燃烧或热解产生的烟雾粒子的火灾探测技术， 可分为点式离子感烟探测器、点式光电感烟探测器、激光感烟探测器、红外光束 感烟探测器和图像型感烟火灾探测器，其中以离子感烟、光电感烟为主，尽管离 子感烟探测器生产成本较低，但由于电离室内采用了放射性元素镅2 4 1 ，其生产、 储存及报废过程中存在环境污染的危险，因而近年来其使用量逐渐减少，大有被 光电感烟探测器所取代的趋势。 ( 2 ) 感温探测技术 这是一种利用热敏元件来探测火灾的技术，在火灾发生后，一方面有大量烟 雾产生，另一方面物质在燃烧过程中释放出大量热量，使周围环境温度急剧上升， 第一章培论 中国科学技术大学博士学位论文 从而使探测器中的热敏元件发生变化或感应实施火灾报警。感温火灾探测器种类 繁多，根据其感温效果和结构形式可分为定温、差温和差定温三种类型，定温探 测器是温度超过预定值就能响应的火灾探测器，具有可靠的稳定性，但灵敏度较 低。根据其工作原理不同，可分为双金属定温、易熔合金定温、热敏电阻定温、 玻璃球定温、缆式线性定温等。差温探测器为温升速率超过一定值就能响应的火 灾探测器，根据其工作原理，可分为双金属差温、热敏电阻差温、膜盒差温、半 导体差温、空气管线差温等。差定温探测器综合了差温、定温两种原理，使探测 器工作更为稳定可靠。 ( 3 ) 烟温复合探测技术 将感烟火灾探测器及感温火灾探测器加以集成，提高其稳定性的同时可靠性 也有所改进。 上述火灾探测技术都是以控制室作为探测分区，不能满足对单个控制柜这一 特殊受限空间进行早期火灾探测的需要，有必要就单个控制柜火灾早期探测一细 水雾灭火集成技术开展研究工作。 1 2 前人工作 关于细水雾作为灭火技术的研究工作至少在四十年前就已经开始，在上世纪 五十年代中期 b r a i d e c h 等就研究并描述了用细水雾熄灭液体和固体燃料的基本 原则，而后r a s b a s h 进一步发展了熄灭炭氢化合物油池火时细水雾的粒径分布和 速度的关系 2 6 - 2 7 1 ，上世纪六、七十年代从实验室到工业界广泛开展了应用研究。 t a m a n i n i 等进行了细水雾扑灭垂直木板火的实验，指出木板质量损失率和灭火时 间随着细水雾流量呈幂函数变化。上世纪七十年代后期美国海军为舰艇动力机舱 研制了固定式细水雾灭火系鲥”】。 从1 9 8 7 年蒙特利尔议定书签订后，美、日、英、加拿大等国家对细水雾灭 火方法及技术的研究十分活跃。由于工业生产自动化水平、信息产业全球化的快 速发展，各种电子信息处理设备的使用量与日俱增，一旦发生火灾将导致灾难性 的后果，随着哈龙的禁止使用，因而用实验考察细水雾对信息处理设备( 电子设 备控制柜) 在不同工况下与火灾的相互作用及抑制、熄灭过程及影响因素日益活 4 第一章绪论中国科学技术太擘博士学位论文 跃，其中得出最主要的结论是设置在电子设备控制柜外的细水雾喷头并不能有效 抑制和扑灭发生在控制柜内部的火灾2 8 。3 6 】，针对不同种类控制柜这一特殊受限空 间的特点，采用阵列布置喷嘴的方式不失为有效的灭火手段。加拿大火灾研究国 家实验室针对程控交换机房火灾制定了细水雾灭火技术的计划，经过几年的模拟 研究，正在发展分区式的智能化早期探测一细水雾集成灭火系统，以便实现对只 发生火灾的控制柜释放细水雾，从而极大限度减少水渍损失，但由于电子设备的 特殊性，火灾早期探测技术进展较慢【3 l 】。 美国、英国等国以大型核电站电子控制设备、大型企业中央控制室电气火灾 防治为背景，进行细水雾抑制、熄灭火灾的模拟研究，以企图开发实用型的电子 设备控制柜细水雾灭火系统。 与细水雾扑灭电子设备控制柜火灾相比，关于电子设备控制柜这一个特殊受 限空间火灾研究的公开文献较少，芬兰v t t 及美国s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s 曾进行过核电站电子设备控制柜火灾全尺度模拟研究 3 7 - 3 8 1 ，结果表明发生火灾的 控制柜在一般条件下难以蔓延到相邻的控制柜，但在特殊条件下其火灾可能会向 相邻的控制柜蔓延。美国马里兰大学曾进行过电子设备控制柜火灾风险评估的研 究 3 9 1 ，但试验所用的可燃材料并非电路板及电线电缆，而是用丙烷喷灯及正庚烷 作为可燃介质，t m a 等曾开展了火灾烟气对电子设备危害的初步研究 4 0 l ， a r c h i b a l dt 开展了程控交换机房中一个电子设备控制柜发生火灾时烟气扩散规 律的研究【4 ，结果表明只要有一个控制柜发生火灾，烟气在极短的时间内便会在 整个机房内蔓延，致使感烟火灾探测器报警，这也给单个控制柜火灾分区早期探 测方式的选择带来了挑战。 由于电子设备控制柜这一特殊受限空间的火灾早期探测一细水雾灭火是一 项集成技术，因而在关注细水雾灭火的同时，针对控制柜特点开展对每个控制柜 的早期火灾探测也非常重要。进入二十世纪八十年代以后，建筑业的火灾探测技 术与其他技术开始了更广泛的交叉和结合，分布式智能探测和抗干扰算法在火灾 探测技术中得到应用，使火灾探测技术进入一个全新的发展时期，与传感技术、 信号处理技术、人工智能技术和自动控制技术更紧密地联系在一起，火灾探测算 法在改进探测性能，如何量化火灾月# 火灾的技术方面有了新的发展，在电子设 第一幸绪论 中国科学技术大学博士学位论文 备控制室内，单个电子设备控制柜在火灾初期，产生的热量较少，火灾产物也较 少，因而火灾特征气体探测器的研究也就孕育而生1 4 2 州，图1 1 可以示意性地说 明安装在控制室吊顶的气体火灾探测器可以实现早期火灾探测之目的。 圈1 1 建筑物内火灾探测与火灾早期发展的对应关系 但就单个电子控制设备柜内部火灾而言，其可燃物为典型人工合成的固体 物质，其着火过程可用图1 2 表示【4 5 1 ： 圈1 2 同体可燃物着火示意图 其燃烧过程大体为：在一定的外部热量作用下，物质发生热分解，生成可燃 挥发分和固定炭，若挥发分达到燃点或受到点火源的作用，即发生明火燃烧，而 稳定明火的建立，又向固体燃烧面反馈热量，从而使其热分解加强，撤掉点火源 后燃烧仍能继续进行，当固体本身的温度达到较高值后，固定炭也开始燃烧，火 焰由表面蔓延发展到深位燃烧阶段。有些可燃固体受热后，先熔化为液体，由液 6 第一幸绪论 中因科学技术大擘博士擘住论文 体蒸发生成可燃蒸汽，再以燃料气的形式发生气相燃烧，同时生成固定炭，燃烧 后期也存在固定炭的深位燃烧阶段。 由此可见，对于电子设备控制室实行整体火灾探测，特征气体火灾探测技术 有一定的优势，但即使报警，也难以准确判断发生火灾的控制柜，因而只能与整 个控制室实施全淹没灭火方式配套使用。而对于单个电子设备控制柜，火灾初期 控制柜内部这一特殊受限空间内最明显的特征仍为温度信号，如果能够在控制柜 内火灾危险源位置布设长距离的直接接触式分布式线性感温探测器，则能够实现 对控制室内单个控制柜早期火灾探测【3 1 1 。 传统的线性感温探测器为热敏或更准确地说是热熔电缆，其缺点是每个回路 不能超过2 0 0 m ，且报警温度固定，因而在电子控制柜内这一特殊受限空间内的 使用受到一定限制。 近年来，随着光纤通信技术的发展，人们很快发现，通信质量易受到影响的 一个原因是光纤对外界环境因素如温度、压力、电场、磁场较为敏感，因而光纤 传感技术的发展非常迅速，是光纤在非通信领域的重要应用。其中基于后向散射 分布式光纤温度传感系统( d i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e rt e m p e r a t u r es e n s o r s ) 简称 d o f t s ) 的研究也引起了人们的广泛关注 4 6 - 5 1 1 ，该系统利用光时域反射( o t d r ) 技术，通过测量数公里长光纤中后向散射光信号随温度的变化和位置参数( 根据 光在光纤中的传播距离确定位置参数) 实现火灾探测，系统中光纤既是光传输介 质，又是传感介质，具有优良的抗干扰能力、较高的空间分辨率和温度分辩率， 将传统的火灾探测器一定程度上升为温度传感器，其报警温度值可以根据现场进 行调节，可实现定温及温升速率的方式探测。后向散射分布式光纤温度测量方式 分瑞利( r a y l i e i g h ) 散射、喇曼( r a m a n ) 散射及布里渊( b r i l l o u i n ) 散射三种， 其中后向喇曼散射系统是国外最先商品化的产品【5 2 】。我国相关研究机构也曾开展 过基于后向喇曼散射的分布式光纤温度传感系统，取得了一定的成就，但系统稳 定性距离实用化还存在一定差距【5 3 拼l 。 1 3 研究目标 本文针对特殊受限空问一电子设备控制柜火灾早期探测及高压细水雾灭火 叮 第一幸暂论 中国科学技术大擘博士学位论文 有效性开展研究，为开发电子设备控制柜火灾早期探测一高压细水雾灭火集成技 术奠定基础。 1 4 研究内容及技术路线 通过资料调研，深入了解电子设备控制柜火灾起因，在此基础上开展不同条 件下特殊受限空间诸如电子设备控制柜的全尺度火灾模拟研究，进一步分析喇 曼散射分布式光纤火灾探测系统工作机理，开展提高系统可靠性的研究，使其能 够达到实用化的水平，用于诸如电子设备控制柜等特殊受限空闻早期火灾探测。， 讨论分析采用细水雾扑灭该类火灾的可行性。利用激光多普勒分析仪测量高压细 水雾粒径和速度等参数。在此基础上，合理布局细细水雾喷嘴，进行高压细水雾 扑灭电子设备控制柜等典型特殊受限空间火灾的有效性模拟实验研究。 参考文献 【1 b a n k s ，r e e n v i r o n m e n t a la s p e c t s o ff l u o r i n a t e dm a t e r i a l s 2 i n - k i n d r e p l a c e m e n t sf o rh a l o nf i r ee x t i n g u i s h a n t s o m er e c e n tc a n d i d a t e s j ，j o u r n a lo f f l u o r i n ec h e m i s t r y , 1 9 9 4 ，6 7 0 ) ：1 9 3 2 0 3 【2 】s t a n f i l e s , k ，h e n r i k s e nk ，e ta 1 s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to fh vr a d i a t i o n r e c e i v e db yt h eb i o s p h e r ea n dt o t a lo z o n ea m o u n t 阴，2 0 0 0 ，g e o p h y s i c a lr e s e a r c h l e t t e r s1 5 ( 8 ) ：7 8 4 【3 】l ik ，k e n n e d ye m ，e ta 1 g a s p h a s er e a c t i o no fh a l o n1 3 0 1 ( c b r f s ) w i t h m e t h a n e 田，i n d u s t r i a l & e n g i n e e r i n gc h e m i s t r yr e s e a r c